KR20110093946A

KR20110093946A - 개구를 갖는 성형된 연마 입자

Info

Publication number: KR20110093946A
Application number: KR1020117016297A
Authority: KR
Inventors: 드와이트 디 에릭슨; 스콧 알 쿨러; 네거스 비 아데프리스; 존 티 보덴; 존 디 하아스
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-08-18
Also published as: BRPI0918330A2; CN102281993B; EP2385889A4; US8142532B2; US20100151201A1; US20120144755A1; CN102281993A; JP6025330B2; EP2385889A1; EP2385889B1; JP2012512047A; BRPI0918330B1; WO2010077518A1; US8845773B2; KR101800900B1

Abstract

연마제는 각각 개구를 갖는 성형된 연마 입자를 포함한다. 성형된 연마 입자는 알파 알루미나로부터 형성되며, 두께 t만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 갖는다. 성형된 연마 입자의 각각의 개구는 생성되는 마모 평평부의 크기를 감소시킴으로써 연삭 성능을 개선시킬 수 있으며, 연삭 보조제를 위한 저장소를 제공할 수 있고, 코팅된 연마 용품 내의 배킹에 대한 점착성을 개선시킬 수 있다.

Description

개구를 갖는 성형된 연마 입자{SHAPED ABRASIVE PARTICLES WITH AN OPENING}

연마 입자 및 이 연마 입자로 만들어진 연마 용품은 상품의 제조과정에서 다양한 재료 및 표면을 마모시키거나, 마무리하거나 또는 연삭하는 데 유용하다. 그렇기 때문에, 연마 입자 및/또는 연마 용품의 비용, 성능 또는 수명을 개선시키려 하는 요구가 계속될 것이다.

삼각형의 성형된(shaped) 연마 입자 및 이 삼각형의 성형된 연마 입자를 이용한 연마 용품이 버그(Berg)의 미국 특허 제5,201,916호, 로웬호스트(Rowenhorst)의 미국 특허 제5,366,523호, 및 버그의 미국 특허 제5,984,988호에 개시되어 있다. 일 실시 형태에서, 연마 입자의 형상은 정삼각형을 포함하였다. 삼각형의 성형된 연마 입자는 절삭률(cut rate)이 높은 연마 용품을 제조하는 데 유용하다.

성형된 연마 입자는 일반적으로 불규칙하게 파쇄된 연마 입자보다 뛰어난 성능을 가질 수 있다. 연마 용품의 형상을 제어함으로써 연마 입자의 최종 성능을 제어할 수 있다. 본 발명자는 개구, 구멍 또는 개구부를 갖는 성형된 연마 입자를 제조함으로써 예기치 않은 몇몇 이점이 발생함을 발견하였다.

첫째로, 개구를 갖는 성형된 연마 입자는 개구를 갖지 않는 유사한 형상의 연마 입자와 비교할 때 향상된 절삭률을 갖는다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 향상된 절삭률은 성형된 연마 입자가 사용될 때 마모 평평부(wear flat)의 크기의 감소로부터 유래한다고 여겨진다. 성형된 연마 입자가 마모됨에 따라, 전형적으로 점점 더 큰 마모 평평부가 성형된 연마 입자의 작업 표면 상에 나타나 성형된 연마 입자를 무디게 한다. 대조적으로, 개구를 갖는 성형된 연마 입자가 마모될 때, 마모 평평부의 크기는 처음에 성형된 연마 입자가 개구까지 마모될 때까지 증가한다. 그 시점에서, 개구의 존재는 이전에 존재한 단일의 더 큰 마모 평평부 대신에 2개의 더 작은 마모 평평부를 생성함으로써 마모 평평부의 전체 크기를 효과적으로 감소시킨다. 새롭게 형성된 더 작은 마모 평평부는 성형된 연마 입자를 다시 예리하게 하여, 개구를 갖지 않는 유사한 형상의 연마 입자에 비해 그 성능을 향상시킨다.

둘째로, 성형된 연마 입자 내의 개구는, 일부 실시 형태에서, 개구를 갖지 않는 유사한 형상의 연마 입자 상에 배치될 수 있는 것보다 더 많은 연삭 보조제 또는 슈퍼사이즈 화합물(supersize compound)을 보유하는 저장소(reservoir)로서 역할을 할 수 있다고 여겨진다. 또한, 연삭 보조제가 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 표면 상에 그리고 그 중앙에 존재하기 때문에, 연삭 보조제는 성형된 연마 입자의 초기 사용 동안에 그리고 또한 개구를 갖는 성형된 연마 입자가 개구 내에 위치된 연삭 보조제 저장소까지 마모됨에 따라 나중에도 존재하며, 이에 의해 절삭 성능을 향상시킨다.

마지막으로, 일부 실시 형태에서, 성형된 연마 입자 내의 개구는 메이크 코트(make coat) 또는 사이즈 코트(size coat)의 사용에 의해 성형된 연마 입자를 배킹(backing)에 더 단단히 부착시키고 이에 의해 사용 동안에 성형된 연마 입자의 "셸링(shelling)"을 감소시키는 고정점(anchor point)으로서 역할을 할 수 있다고 여겨진다. 개구를 갖는 성형된 연마 입자가 코팅된 연마 용품을 형성하기 위해 사용될 때, 경화된 메이크 또는 사이즈 코트는 성형된 연마 입자를 완전히 통과할 수 있다. 그렇기 때문에, 개구를 갖는 성형된 연마 입자는 단지 입자의 측면에 대한 점착에 의해 부착되는 유사한 형상의 연마 입자와 비교할 때 코팅에 더 단단히 부착된다. 본질적으로, 측면에 의해서만 접착되는, 개구를 갖지 않는 유사한 형상의 연마 입자와는 대조적으로 코팅이 개구를 통과하고 이에 의해 입자를 더 단단히 유지할 수 있기 때문에, 개구를 갖는 성형된 연마 입자는 메이크 또는 사이즈 코트 내로 "스티칭(stitching)"된다.

따라서, 일 실시 형태에서, 본 발명은 각각 개구를 갖는 성형된 연마 입자를 포함하며, 성형된 연마 입자의 각각은 알파 알루미나(alpha alumina)를 포함하고 두께 t를 갖는 측벽에 의해 이격된 제1 면 및 제2 면을 갖는 연마제이다.

당업자는 본 개시 내용이 예시적인 실시 형태의 설명일 뿐 본 개시 내용의 보다 넓은 태양들을 제한하려는 것은 아니며, 이 예시적인 구성에서 보다 넓은 태양들이 구현된다는 것을 이해하여야 한다.
<도 1a>
도 1a는 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 일 실시 형태의 평면도.
<도 1b>
도 1b는 도 1a의 성형된 연마 입자의 일 실시 형태의 측면도.
<도 1c>
도 1c는 도 1a의 성형된 연마 입자의 다른 실시 형태의 측면도.
<도 2a>
도 2a는 개구를 갖지 않는 일부 마모된 성형된 연마 입자의 측면도.
<도 2b>
도 2b는 삼각형의 기부(base)에 의해 연마 용품에 부착되었을 때의, 도 1a의 일부 마모된 성형된 연마 입자의 측면도.
<도 2c>
도 2c는 삼각형의 팁(tip)에 의해 연마 용품에 부착되었을 때의, 도 1a의 일부 마모된 성형된 연마 입자의 측면도.
<도 3>
도 3은 개구를 갖지 않는 유사한 형상의 연마 입자와 비교한, 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 현미경 사진.
<도 4>
도 4는 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 다른 실시 형태의 현미경 사진.
<도 5>
도 5는 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 대안 실시 형태를 도시하는 도면.
<도 6>
도 6은 개구를 갖는 복수의 성형된 연마 입자를 구비한 연마 용품을 도시하는 도면.
<도 7>
도 7은 복수의 주형 공동(mold cavity)을 구비한 제조 공구 내의, 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 다른 실시 형태의 현미경 사진.
<도 8>
도 8은 연삭 성능의 그래프.
<도 9>
도 9는 연삭 성능의 다른 그래프.
본 명세서 및 도면에서 참조 부호를 반복하여 사용하는 것은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내려는 것이다.
정의
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포함하다", "갖다", 및 "함유하다"라는 단어의 형태는 법률적으로 동등하며 제한이 없다. 따라서, 열거한 요소, 작용, 단계 또는 한정 이외에도 추가의 열거되지 않은 요소, 작용, 단계 또는 한정이 존재할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "연마 분산액(abrasive dispersion)"이라는 용어는 주형 공동 내로 도입되는 알파 알루미나로 변환될 수 있는 알파 알루미나 전구체를 의미한다. 이 조성물은 충분한 휘발성 성분이 제거되어 연마 분산액을 응고시킬 때까지 연마 분산액으로 지칭된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전구체 성형된 연마 입자(precursor shaped abrasive particle)"라는 용어는, 주형 공동 내에 있을 때 연마 분산액으로부터 충분한 양의 휘발성 성분을 제거하여, 주형 공동으로부터 제거되고 후속의 처리 작업에서 몰딩된 형상을 실질적으로 유지할 수 있는 응고체를 형성함으로써 생성되는 소결되지 않은 입자를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "성형된 연마 입자"라는 용어는 연마 입자의 적어도 일부가, 성형된 전구체 연마 입자를 형성하는 데 사용되는 주형 공동으로부터 복제된 소정의 형상을 갖는 세라믹 연마 입자를 의미한다. (예를 들어, 미국 가출원 제61/016965호에 기재된 것과 같은) 연마 파편의 경우를 제외하고는, 성형된 연마 입자는 일반적으로 성형된 연마 입자를 형성하는 데 사용되는 주형 공동을 실질적으로 복제하는 소정의 기하학적 형상을 가질 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 성형된 연마 입자는 기계적 파쇄 작업에 의해 얻어지는 연마 입자를 배제한다.

개구를 갖는 성형된 연마 입자

도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 예시적인 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 도시되어 있다. 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 제조되는 재료는 알파 알루미나를 포함한다. 알파 알루미나 성형된 연마 입자는, 나중에 본 명세서에서 논의되는 바와 같이 겔화되고, 소정 형상으로 몰딩되며, 그 형상을 유지하도록 건조되고, 하소되며(calcined), 소결되는 산화알루미늄 일수화물의 분산액으로부터 제조될 수 있다. 성형된 연마 입자의 형상은 결합제(binder)를 필요로 함이 없이 유지되어, 이어서 성형된 구조체로 형성되는 결합제 내의 연마 입자를 포함하는 응집물(agglomerate)을 형성한다.

일반적으로, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 제1 면(24) 및 제2 면(26)을 갖고 두께 t를 갖는 얇은 본체를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 더 두꺼운 측벽(28)에 의해 서로 연결된다. 다른 실시 형태에서, 측벽(28)은 더 두꺼운 측벽(28)을 갖는 대신에 면들이 만나는 얇은 에지 또는 점으로 면들이 테이퍼지는 입자의 경우에 최소화될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 면(24)은 실질적으로 평탄하거나, 제2 면(26)은 실질적으로 평탄하거나, 또는 둘 모두의 면이 실질적으로 평탄하다. 대안적으로, 면은 오목하거나 볼록할 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 실질적으로 서로 평행하다. 다른 실시 형태에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 하나의 면이 다른 면에 대해서 경사지고 각각의 면에 접하는 가상선이 점에서 교차하도록 비평행할 수 있다. 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 측벽(28)은 가변일 수 있으며, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 주변부(perimeter)(29)를 형성한다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 주변부(29)는 기하학적 형상이도록 선택되며, 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 하나의 면이 다른 면보다 큰 상태로 크기가 다를 수 있지만 동일한 기하학적 형상을 갖도록 선택된다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24)의 주변부(29) 및 제2 면(26)의 주변부(29)는 도시된 삼각형 형상이었다.

개구(22)는, 일 실시 형태에서, 도 1b 및 도 1c에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 제1 면(24) 및 제2 면(26)을 완전히 통과한다. 다른 실시 형태에서, 개구(22)는 두 면을 완전히 통과하지 않을 수 있는 막힌 구멍을 포함한다. 나중에 논의되는 바와 같이, 막힌 구멍 또는 개구는 여전히 생성되는 마모 평평부의 크기를 감소시킬 수 있거나, 성형된 연마 입자를 기재(substrate)에 부착하는 것을 도울 수 있거나, 또는 성형된 연마 입자의 벌크 밀도(bulk density)를 크게 감소시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 개구(22)의 크기는 제1 면(24) 또는 제2 면(26)의 면적에 비해 상당히 크다. 도 1a에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 개구(22)는 성형된 연마 입자(20)의 주변부(29)의 형상에 아주 가까운 삼각형 형상을 구성하였다. 그렇기 때문에, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는, 각각의 단부에서 결합되어 폐쇄된 다각형을 형성하는 복수의 바아(bar)(30)로 된 일체형 연결부를 구성하였다.

본 발명의 다양한 실시 형태에서, 제1 면(24) 또는 제2 면(26) 중 더 큰 것의 면 면적으로 나눈 개구 면적의 개구비(opening ratio)는 약 0.05 내지 약 0.95, 또는 약 0.1 내지 약 0.9, 또는 약 0.1 내지 약 0.7, 또는 약 0.05 내지 약 0.5, 또는 약 0.05 내지 약 0.3일 수 있다. 이 계산의 목적을 위해, 면 면적은 개구(22)로 인한 어떤 면적도 공제함이 없이 주변부(29)에 의해 둘러싸인 면적에 기초하고 있다. 나중에 논의되는 바와 같이, 면 크기에 비해 더 큰 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 향상된 연삭 성능을 갖는다고 여겨진다. 도 3의 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 0.23의 평균 개구비를 가졌고, 도 4의 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 0.05의 개구비를 가졌다.

본 발명의 다양한 실시 형태에서, 제1 면(24)의 면적 또는 크기와 제2 면(26)의 면적 또는 크기는 실질적으로 같다. 본 발명의 다른 실시 형태에서, 제1 면(24) 또는 제2 면(26)은 다른 면보다 더 작을 수 있다. 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 제2 면(26)과 측벽(28) 사이의 드래프트각(draft angle) α는 각 면의 상대 크기를 변화시키기 위해 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 드래프트각 α는 두 면의 면적이 실질적으로 같도록 대략 90도일 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에서, 드래프트각 α는 제1 면(24)의 면적이 제2 면(26)의 면적보다 크도록 90도 초과일 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에서, 드래프트각 α는 제1 면(24)의 면적이 제2 면(26)의 면적보다 작도록 90도 미만일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 드래프트각 α는 대략 95도 내지 대략 130도, 또는 약 95도 내지 약 125도, 또는 약 95도 내지 약 120도, 또는 약 95도 내지 약 115도, 또는 약 95도 내지 약 110도, 또는 약 95도 내지 약 105도, 또는 약 95도 내지 약 100도일 수 있다.

이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 코팅된 연마 용품 내의 성형된 연마 입자(20)의 기부(측벽(28))가 드래프트각으로 인해 경사지기 때문에, 90도 이외의 드래프트각은 성형된 연마 입자(20)가 코팅된 연마 용품(50) 내의 배킹(52)에 대해 90도의 배향을 갖는 대신에 기울어지게 한다고 여겨진다. 성형된 연마 입자(20)는 대부분 성형된 연마 입자가 놓이는 경사진 기부로 인해 일측으로 경사지거나 기울기 때문에, 2008년 12월 17일자로 출원되고 대리인 문서 번호가 64869US002이며 발명의 명칭이 "경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall)"인 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,075호에 더 상세하게 기재되어 있는 바와 같이, 성형된 연마 입자는 배킹(52)에 대해 90도 미만의 배향각을 갖고 이에 의해 절삭률을 향상시킬 수 있다.

이제 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 파선에 의해 도시된 바와 같이 입자의 원래 높이의 약 1/3까지 마모된 3개의 성형된 연마 입자가 도시되어 있다. 도 2a는 유사한 형상의 중실형(solid)의 성형된 연마 입자를, 코팅된 연마 용품(50)을 제조하기 위해 통상적으로 배향되는 바와 같이 도시하고 있다. 입자의 팁이 마모됨에 따라, 입자를 무디게 하기 시작하는 마모 평평부(32)가 나타난다. 입자의 형상으로 인해, 마모 평평부의 크기는 전형적으로 성형된 연마 입자가 더 많이 소모됨에 따라 점점 더 커진다. 따라서, 성형된 연마 입자에 관한 절삭 성능은 마모 평평부의 크기가 계속하여 증가하기 때문에 크게 떨어질 수 있다.

도 2b는 팁 또는 꼭지점이 코팅된 연마 용품(50)에서 위쪽에 있는 상태로 배향되었을 때의, 마모된, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 도시하고 있다. 성형된 연마 입자(20)의 팁이 마모됨에 따라, 마모 평평부의 크기는 입자의 현재 높이에 무관하게 비교적 일정하게 유지된다. 이 결과는 성형된 연마 입자의 높이가 감소됨에 따라 개구(22)의 형상이 성형된 연마 입자의 비교적 일정한 면적을 공작물과 접촉하는 상태가 되게 할 때 발생할 수 있다. 도시된 성형된 연마 입자의 경우, 초기 첨단부가 소모된 후에, 2개의 마모 평평부(32)의 크기는, 마모 평평부의 길이가 그 시점에서 성형된 연마 입자의 폭에 가까워지는 2개의 측면 바아가 소모될 때까지 상당히 작게 유지될 수 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 더 큰 개구(22) 및 더 작은 마모 평평부(32)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 더 작은 개구(22)를 갖거나 개구를 갖지 않고 더 큰 마모 평평부(32)를 갖는 성형된 연마 입자(20)보다 더 잘 절삭할 것이라고 여겨진다.

도 2c는 팁 또는 꼭지점이 코팅된 연마 용품(50)에서 아래쪽에 있는 상태로 배향되었을 때의, 마모된, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 도시하고 있다. 처음에, 큰 마모 평평부(32)가 존재하지만, 그 재료가 제거된 후에, 마모 평평부(32)의 크기는 일단 성형된 연마 입자가 개구(22)까지 아래로 마모되면 상당히 감소된다. 따라서, 심지어 기부가 위쪽에 그리고 팁이 아래쪽에 있는 상태로 배향된 성형된 연마 입자도 개구(22)의 존재로부터 이익을 얻을 수 있다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 개구를 갖지 않는 중실형의 성형된 연마 입자에 비해 예기치 않은 몇몇 이점을 가질 수 있다. 첫째로, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 실시예와 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이 중실형의 성형된 연마 입자와 비교할 때 향상된 절삭률을 갖는다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 향상된 절삭률은 성형된 연마 입자가 사용될 때 마모 평평부(32)의 크기의 감소로부터 유래한다고 여겨진다. 성형된 연마 입자가 마모됨에 따라, 전형적으로 점점 더 큰 마모 평평부(32)가 성형된 연마 입자의 작업 표면 상에 나타나 성형된 연마 입자를 무디게 한다. 대조적으로, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 마모됨에 따라, 마모 평평부(32)의 크기는 처음에 입자가 개구(22)까지 마모될 때까지 증가할 수 있다. 그 시점에서, 개구(22)의 존재는 이전에 존재한 단일의 더 큰 마모 평평부 대신에 2개의 더 작은 마모 평평부를 생성함으로써 마모 평평부(32)의 전체 크기를 효과적으로 감소시킨다. 새롭게 형성된 더 작은 마모 평평부(32)는 성형된 연마 입자(20)를 다시 예리하게 하여, 유사한 형상의 중실형의 성형된 연마 입자에 비해 그 성능을 향상시킨다.

둘째로, 성형된 연마 입자(20) 내의 개구(22)는, 일부 실시 형태에서, 개구(22)를 갖지 않는 중실형의 성형된 연마 입자 상에 배치될 수 있는 것보다 더 많은 연삭 보조제 또는 슈퍼사이즈 화합물을 보유하는 저장소로서 역할을 할 수 있다고 여겨진다. 또한, 연삭 보조제가 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 표면 상에 그리고 그 중앙에 존재하기 때문에, 연삭 보조제는 성형된 연마 입자의 초기 사용 동안에 그리고 또한 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 개구(22) 내에 위치된 연삭 보조제 저장소까지 마모됨에 따라 나중에도 존재하며, 이에 의해 절삭 성능을 향상시킨다.

마지막으로, 일부 실시 형태에서, 성형된 연마 입자(20) 내의 개구(22)는 메이크 코트(54) 또는 사이즈 코트(58)의 사용에 의해 성형된 연마 입자(20)를 배킹(52)에 더 단단히 부착시키고 이에 의해 사용 동안에 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 "셸링"을 감소시키는 고정점으로서 역할을 할 수 있다고 여겨진다. 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 코팅된 연마 용품(50)을 형성하기 위해 사용될 때, 경화된 메이크 또는 사이즈 코트(58)는 성형된 연마 입자(20)를 완전히 통과할 수 있다. 그렇기 때문에, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 단지 성형된 연마 입자의 측면에 대한 점착에 의해 부착되는 중실형의 성형된 연마 입자와 비교할 때 코팅에 더 단단히 부착된다. 본질적으로, 측면에 의해서만 접착되는 중실형의 성형된 연마 입자와는 대조적으로 코팅이 개구(22)를 통과하고 이에 의해 성형된 연마 입자를 더 단단히 유지할 수 있기 때문에, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 메이크 또는 사이즈 코트(58) 내로 "스티칭"된다.

코팅된 연마 용품(50)에 있어서의 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20) 내의 개구(22)는 메이크 코팅, 사이즈 코팅, 슈퍼사이즈 코팅, 연삭 첨가제, 비어 있는 공간, 또는 이들 품목의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

이제 도 3 및 도 4를 참조하면, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 현미경 사진이 도시되어 있다. 도 3은 유사한 형상의 접시형 연마 입자와 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 비교를 보여준다. 접시형 연마 입자로부터 유래하는 연삭 개선에 관한 더 많은 정보가, 2008년 12월 17일자로 출원되고 대리인 문서 번호가 64716US002이며 발명의 명칭이 "리세스된 표면을 갖는 접시형 연마 입자(Dish-Shaped Abrasive Particles With A Recessed Surface)"인 미국 특허 출원 제12/336,961호에 개시되어 있다. 도 3에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 상부 또는 하부 주변부(29)는 정삼각형을 형성한다. 도 4에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 상부 또는 하부 주변부(29)는 이등변 삼각형을 형성한다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 제조하기 위한 2가지의 주요한 방법이 있다. 두 방법에서, 복수의 주형 공동을 갖는 플라스틱 또는 중합체성 제조 공구가 복수의 전구체 성형된 연마 입자를 형성하기 위해 사용된다. 하나의 방법에서, 졸-겔(sol-gel)의 건조 속도는 건조 동안에 졸-겔이 주형 공동의 에지 및 측면을 향해 이동하는 경향이 있어 성형된 연마 입자(20) 내에 개구(22)가 형성되도록 제어된다. 도 3에서, 도시되어 있는 성형된 연마 입자(20)의 전부는 동일한 제조 공구를 사용하여 제조되었지만, 건조 조건 및 건조 속도는 우측에 도시되어 있는 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 제조하기 위해 변경될 수 있다. 다른 예언적인 방법에서, 제조 공구 내의 주형 공동이 졸-겔이 주형 공동의 중심 또는 다른 부분을 점유하는 것을 방지하고 이에 의해 전구체 성형된 연마 입자 내에 개구(22)를 형성하는, 개구(22)의 형상의 직립 주형 요소를 가질 수 있다고 여겨진다. 번트 케이크(Bundt cake)의 중심에 구멍을 남기는 "번트" 케이크 팬을 닮은 주형 공동을 사용함으로써, 성형된 연마 입자(20)의 각각의 개구(22)가 형성될 수 있다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 제조하는 상기의 상이한 방법들 때문에, 생성되는 개구(22)의 윤곽은 완전히 상이할 수 있다. 도 1b, 도 3 및 도 4에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 제어된 건조 방법을 사용할 때, 개구(22)의 내부 표면(34)은 볼록하거나 만곡되어 제1 면(24)에서의 개구의 크기가 제2 면(26)에서의 개구의 크기보다 크게 한다. 만곡은 제어된 건조 동안에 졸-겔에 형성되는 메니스커스로부터 유래한다고 여겨진다. 건조가 진행됨에 따라, 졸-겔은 폴리프로필렌 주형의 에지를 향해 위로 이동되어 성형된 연마 입자(20) 내의 개구(22) 및 만곡된 내부 표면(34)을 남긴다. 도 1c에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 개구(22)가 직립 주형 요소를 갖는 주형에 의해 형성될 때, 내부 표면(34)의 윤곽은 제어될 수 있다. 내부 표면(34)의 윤곽은 직립 주형 요소의 형상에 따라 평탄하거나, 볼록하거나, 오목할 수 있다. 추가로, 내부 표면(34)은 각 면에서의 개구(22)의 크기가 상이하도록 테이퍼질 수 있다. 주형으로부터의 성형된 연마 입자(20)의 최선의 이형(release)을 위해 그리고 건조 동안에 성형된 연마 입자(20)의 크래킹(cracking)을 방지하기 위해 개구(22)가 주형 공동의 상부에서 더 좁고 주형 공동의 바닥에서 더 넓도록 내부 표면(34)은 테이퍼진 표면이어야 한다고 여겨진다.

도 5를 참조하면, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 다양한 3차원 형상을 가질 수 있다. 주변부(29)의 기하학적 형상은 삼각형, 직사각형, 원형, 타원형, 별 형상, 또는 다른 규칙 또는 불규칙 다각형의 형상일 수 있다. 개구(22)는 도 5a에 도시된 바와 같은 주변부(29)와 동일한 형상을 갖도록 선택될 수 있다. 따라서, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는, 각각의 단부에서 결합되어 폐쇄된 다각형을 형성하는 복수의 바아(30)로 된 일체형 연결부를 포함할 수 있다. 대안적으로, 개구(22)의 형상은 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같은 주변부(29)의 형상과 상이하도록 선택될 수 있다. 개구(22)의 주요 기능(절삭률 향상, 연삭 보조제 저장소, 또는 감소된 셸링)에 따라, 개구(22)의 크기 및/또는 형상은 상이한 기능들을 더 효과적으로 수행하기 위해 달라질 수 있다. 일 실시 형태에서, 주변부(29)는 정삼각형을 구성하였다. 본 발명의 목적을 위해, 실질적으로 삼각형의 형상은 또한 변들 중 하나 이상이 아치형일 수 있고 그리고/또는 삼각형의 팁이 아치형일 수 있는 3변형 다각형을 포함한다.

대부분의 경우에, 성형된 연마 입자(20)의 가장 짧은 면 치수의 길이 대 성형된 연마 입자(20)의 두께의 비는 적어도 1 대 1, 또는 적어도 2 대 1, 또는 적어도 5 대 1, 또는 적어도 6 대 1이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "두께"라는 용어는, 평탄한 형상에 걸쳐 변하는 두께를 갖는 입자에 적용될 때, 최소 두께를 의미할 것이다. 입자가 실질적으로 균일한 두께를 갖는 경우, 최소, 최대, 평균 및 중간 두께의 값들은 실질적으로 같을 것이다. 예를 들어, 삼각형의 경우, 두께가 "a"와 같다면, 삼각형의 가장 짧은 변의 길이는 바람직하게는 적어도 "2a"이다. 가장 짧은 면 치수들 중 둘 이상이 동일한 길이를 갖는 입자의 경우, 전술한 관계가 계속 유지된다. 대부분의 경우, 성형된 연마 입자(20)는 적어도 3개의 변을 갖고 각 변의 길이가 입자의 두께보다 큰 다각형이다. 원, 타원, 또는 매우 짧은 변을 갖는 다각형의 특수한 상황에서, 원의 직경, 타원의 최소 직경, 또는 매우 짧은 변의 다각형의 둘레에 외접될 수 있는 원의 직경은 입자의 가장 짧은 면 치수인 것으로 고려된다. 입자의 두께는 바람직하게는 약 10 내지 1000 마이크로미터의 범위이다. 이 종횡비(aspect ratio)는 성형된 연마 입자(20)의 개선된 성능을 제공할 수 있다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 다양한 체적 종횡비를 가질 수 있다. 체적 종횡비는 체적의 중심을 통과하는 최대 단면적을, 중심을 통과하는 최소 단면적으로 나눈 비로서 정의된다. 일부 형상의 경우, 최대 또는 최소 단면적은 그 형상의 외부 기하학적 형상에 대해 기울어지거나, 비스듬하거나, 경사진 평면일 수 있다. 예를 들어, 구는 1.000의 체적 종횡비를 갖는 반면 정육면체는 1.414의 체적 종횡비를 가질 것이다. 각 변이 길이 A와 같고 두께가 A와 같은 정삼각형 형태의 성형된 연마 입자는 1.54의 체적 종횡비를 가질 것이며, 두께가 0.25A까지 감소되면, 체적 종횡비는 2.64까지 증가된다. 더 큰 체적 종횡비를 구비한 개구를 갖는 성형된 연마 입자가 향상된 절삭 성능을 갖는다고 여겨진다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 개구를 갖는 성형된 연마 입자에 관한 체적 종횡비는 약 1.15 초과, 또는 약 1.50 초과, 또는 약 2.0 초과, 또는 약 1.15 내지 약 10.0, 또는 약 1.20 내지 약 5.0, 또는 약 1.30 내지 약 3.0일 수 있다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 다른 특징은 연마 입자의 벌크 밀도에 관한 ANSI B74.4 - 1992 절차(ANSI B74.4 - 1992 Procedure for Bulk Density of Abrasive Grains)에 의해 시험했을 때 극히 낮은 벌크 밀도일 수 있다. 개구(22)가 전체 크기를 감소시킴이 없이 성형된 연마 입자(20)의 질량을 크게 감소시킬 수 있기 때문에, 생성되는 벌크 밀도는 극히 낮을 수 있다. 또한, 성형된 연마 입자(20)의 벌크 밀도는 간단히 입자 내의 개구(22)의 크기 및 형상을 변화시킴으로써 용이하게 변경 및 제어될 수 있다. 비트리파이드 접합 연마제 연삭 휠(vitrified bonded abrasive grinding wheel)과 같은 일부 응용의 경우, 낮은 벌크 밀도의 연마 입자는 더 나은 연삭 성능을 가질 수 있다.

도 3의 중실형 삼각형의 벌크 밀도는 1.40 g/㎤인 것으로 측정되었다. 도 3의 개구를 갖는 삼각형의 벌크 밀도는 0.91 g/㎤인 것으로 측정되었다. 도 4의 개구를 갖는 이등변 삼각형의 벌크 밀도는 0.89 g/㎤인 것으로 측정되었다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 벌크 밀도는 1.35 g/㎤ 미만, 또는 1.20 g/㎤ 미만, 또는 1.00 g/㎤ 미만, 또는 0.90 g/㎤ 미만일 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 연마 용품에 포함되거나 자유로운 형태로 사용될 수 있다. 연마 입자는 일반적으로 사용 전에 소정의 입자 크기 분포로 분류된다. 그러한 분포는 전형적으로 거친 입자에서 미세한 입자까지 일정 범위의 입자 크기를 갖는다. 연마제 분야에서 이 범위는 때때로 "거친", "대조", 및 "미세" 파편으로 지칭된다. 연마제 산업에서 승인된 분류 표준에 따라서 분류된 연마 입자는 수치 한계 내에서 각 공칭 등급에 대한 입자 크기 분포를 규정한다. 그러한 산업 승인 분류 규정(즉, 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급)에는 미국 규격 협회(American National Standards Institute, Inc., ANSI) 표준, 연마 제품의 유럽 생산자 연맹(Federation of European Producers of Abrasive Products, FEPA) 표준, 및 일본 공업 규격(Japanese Industrial Standard, JIS) 표준으로 알려진 것들이 포함된다.

ANSI 등급 명칭(즉, 규정된 공칭 등급)에는, ANSI 4, ANSI 6, ANSI 8, ANSI 16, ANSI 24, ANSI 36, ANSI 40, ANSI 50, ANSI 60, ANSI 80, ANSI 100, ANSI 120, ANSI 150, ANSI 180, ANSI 220, ANSI 240, ANSI 280, ANSI 320, ANSI 360, ANSI 400 및 ANSI 600이 포함된다. FEPA 등급 명칭에는 P8, P12, P16, P24, P36, P40, P50, P60, P80, P100, P120, P150, P180, P220, P320, P400, P500, P600, P800, P1000 및 P1200이 포함된다. JIS 등급 명칭에는 JIS8, JIS12, JIS16, JIS24, JIS36, JIS46, JIS54, JIS60, JIS80, JIS100, JIS150, JIS180, JIS220, JIS240, JIS280, JIS320, JIS360, JIS400, JIS600, JIS800, JIS1000, JIS1500, JIS2500, JIS4000, JIS6000, JIS8000 및 JIS10,000이 포함된다.

대안적으로, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 ASTM E-11의 "시험 목적용 쇠그물 및 체에 대한 표준 규격"에 따른 미국 표준 시험용 체를 사용하여 공칭 스크린 등급(nominal screened grade)으로 분류될 수 있다. ASTM E-11은 지정된 입자 크기에 따른 재료의 분류를 위해 프레임에 장착된 직조된 쇠그물 매체를 사용하여 시험용 체를 설계하고 구성하기 위한 요건을 규정하고 있다. 전형적인 명칭은 -18+20으로 나타낼 수 있는데, 이는 연마 입자가 18번 체에 관한 ASTM E-11 규격을 만족시키는 시험용 체를 통과하고 20번 체에 관한 ASTM E-11 규격을 만족하는 시험용 체에 걸려서 유지된다는 것을 의미한다. 일 실시 형태에서, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 입자의 대부분이 18메시 시험용 체를 통과하고 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50메시 시험용 체에 걸려서 유지될 수 있게 하는 입자 크기를 갖는다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 -18+20, -20+25, -25+30, -30+35, -35+40, -40+45, -45+50, -50+60, -60+70, -70+80, -80+100, -100+120, -120+140, -140+170, -170+200, -200+230, -230+270, -270+325, -325+400, -400+450, -450+500 또는 -500+635를 포함하는 공칭 스크린 등급을 가질 수 있다.

일 태양에서, 본 발명은 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 복수의 성형된 연마 입자 - 여기서, 복수의 연마 입자의 적어도 일부는 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)임 - 를 제공한다. 다른 태양에서, 본 발명은 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 개구(22)를 갖는 복수의 성형된 연마 입자(20)를 제공하도록 본 발명에 따라 제조된 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 등급 분류하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

원하는 경우, 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 다른 공지의 연마 또는 비연마 입자와 혼합될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 연마 입자의 총 중량에 기초하여, 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 복수의 연마 입자 중 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 중량％가 본 발명에 따라 제조된 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)이다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)와 혼합하기에 적합한 입자는 미국 특허 제4,799,939호 및 제5,078,753호에 기재되어 있는 것과 같은 종래의 연마 입자, 희석 입자 또는 부식성 응집물을 포함한다. 종래의 연마 입자의 대표적인 예에는 융합 산화 알루미늄, 탄화규소, 가넷(garnet), 융합 알루미나 지르코니아, 입방정형 질화붕소, 다이아몬드 등이 포함된다. 희석 입자의 대표적인 예에는 대리석, 석고 및 유리가 포함된다. 개구(22)를 갖는 상이한 형상의 연마 입자(20)(예를 들어, 삼각형 및 정사각형)들의 블렌드, 또는 상이한 크기의 개구를 갖는 성형된 연마 입자(20)들의 블렌드가 본 발명의 용품에 사용될 수 있다.

개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 또한 표면 코팅을 가질 수 있다. 표면 코팅은 연마 용품의 연마 입자와 결합제 사이의 점착성을 개선시키는 것으로 알려져 있으며, 성형된 연마 입자(20)의 정전 침착(electrostatic deposition)을 돕기 위해 사용될 수 있다. 그러한 표면 코팅은 미국 특허 제5,213,591호, 제5,011,508호, 제1,910,444호, 제3,041,156호, 제5,009,675호, 제5,085,671호, 제4,997,461호 및 제5,042,991호에 기재되어 있다. 추가로, 표면 코팅은 성형된 연마 입자가 캡핑(capping)되는 것을 방지할 수 있다. 캡핑은 마모되고 있는 공작물로부터의 금속 입자가 성형된 연마 입자의 상부에 융착되는 현상을 설명하는 용어이다. 상기 기능을 실행하는 표면 코팅은 당업자에게 알려져 있다.

개구를 갖는 성형된 연마 입자를 구비한 연마 용품

도 6을 참조하면, 코팅된 연마 용품(50)은 이하에서 메이크 코트(54)로 지칭되는 결합제의 제1 층이 배킹(52)의 하나의 주 표면 위에 적용되어 있는 배킹(52)을 포함한다. 개구(22)를 갖는 복수의 성형된 연마 입자(20)가 메이크 코트(54)에 부착되거나 부분적으로 매설되어 연마층을 형성한다. 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20) 위에는 이하에서 사이즈 코트(58)로 지칭되는 결합제의 제2 층이 위치한다. 메이크 코트(54)의 목적은 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 배킹(52)에 고정하는 것이고, 사이즈 코트(58)의 목적은 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 보강하는 것이다. 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 팁 또는 꼭지점이 도시된 바와 같이 배킹(52)으로부터 멀리 향하거나 배킹(52)을 향하도록 배향될 수 있다. 이전에 논의된 바와 같이, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20) 내의 개구(22)는 코팅된 연마 용품(50)이 제조되는 방법 그리고 그 특정한 연마 용품 응용을 위한 개구(22)의 주요 목적에 따라 메이크 코트(54), 사이즈 코트(58), 슈퍼사이즈 코트, 연삭 보조제, 비어 있는 공간, 또는 이들 품목의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

메이크 코트(54) 및 사이즈 코트(58)는 수지성 접착제를 포함한다. 메이크 코트(54)의 수지성 접착제는 사이즈 코트(58)의 수지성 접착제와 동일하거나 상이할 수 있다. 이들 코트에 적합한 수지성 접착제의 예에는 페놀 수지류, 에폭시 수지류, 우레아-포름알데하이드 수지류, 아크릴레이트 수지류, 아미노플라스트 수지류, 멜라민 수지류, 아크릴화 에폭시 수지류, 우레탄 수지류 및 이들의 조합이 포함된다. 수지성 접착제 외에도, 메이크 코트(54) 또는 사이즈 코트(58), 또는 둘 모두의 코트는, 예를 들어 충전제, 연삭 보조제, 습윤제, 계면활성제, 염료, 안료, 커플링제, 접착 증진제 및 이들의 조합과 같은 본 기술 분야에 알려진 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 충전제의 예에는 탄산칼슘, 실리카, 활석, 점토, 칼슘 메타실리케이트, 돌로마이트, 알루미늄 설페이트 및 이들의 조합이 포함된다.

연삭 보조제는, 그것의 첨가가 연마의 화학적 및 물리적 공정에 상당한 영향을 미쳐서, 그 결과로 개선된 성능을 가져오는 미립자 물질로서 정의된다. 언급된 바와 같이, 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)는 연삭 보조제 저장소로서 역할을 하는 개구(22)의 결과로서 증가된 성능을 가질 수 있다고 여겨진다. 성형된 연마 입자(20)는 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 정전 침착 전에 연삭 보조제로 충전된 개구(22)를 갖고 이에 의해 이 기능을 수행할 수 있다고 여겨진다.

연삭 보조제는 매우 다양한 상이한 물질들을 포괄하며, 무기물질 또는 유기물질계일 수 있다. 연삭 보조제의 화학적 그룹의 예에는 왁스, 유기 할라이드 화합물, 할라이드 염, 및 금속과 이들의 합금이 포함된다. 유기 할라이드 화합물은 전형적으로 마모 중에 분쇄되어 할로겐 산 또는 기체 할라이드 화합물을 방출할 것이다. 그러한 물질의 예에는 염소화된 왁스, 예를 들어 테트라클로로나프탈렌, 펜타클로로나프탈렌; 및 폴리비닐 클로라이드가 포함된다. 할라이드 염의 예에는 염화나트륨, 칼륨 빙정석, 나트륨 빙정석, 암모늄 빙정석, 사플루오로붕산칼륨, 사플루오로붕산나트륨, 플루오르화규소, 염화칼륨, 염화마그네슘이 포함된다. 금속의 예에는 주석, 납, 비스무스, 코발트, 안티몬, 카드뮴, 철 및 티타늄이 포함된다. 다른 연삭 보조제는 황, 유기 황 화합물, 흑연 및 금속 황화물을 포함한다. 상이한 연삭 보조제들의 조합을 사용하는 것이 또한 본 발명의 범주에 속하며, 일부 경우에 상승 효과를 제공할 수 있다. 일 실시 형태에서, 연삭 보조제는 빙정석 또는 사플루오로붕산칼륨이다. 그러한 접착제의 양은 원하는 특성을 제공하도록 조절될 수 있다. 슈퍼사이즈 코팅을 이용하는 것이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 슈퍼사이즈 코팅은 전형적으로 결합제 및 연삭 보조제를 함유한다. 결합제는 페놀 수지류, 아크릴레이트 수지류, 에폭시 수지류, 우레아-포름알데하이드 수지류, 멜라민 수지류, 우레탄 수지류 및 이들의 조합과 같은 재료로 형성될 수 있다.

접합된 연마 용품, 부직포 연마 용품, 또는 연마 브러시에 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)가 사용될 수 있음이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 접합된 연마제는, 결합제에 의해서 함께 접합되어 성형된 덩어리를 형성하는 개구(22)를 갖는 복수의 성형된 연마 입자(20)를 포함할 수 있다. 접합된 연마제를 위한 결합제는 금속성 결합제, 유기 결합제 또는 유리질 결합제일 수 있다. 부직포 연마제는, 유기 결합제에 의해서 섬유질 부직포 웨브에 접합된 개구(22)를 갖는 복수의 성형된 연마 입자(20)를 포함한다.

개구를 갖는 성형된 연마 입자를 제조하는 방법

제1 공정 단계는 알파 알루미나로 변환될 수 있는 시드형(seeded) 또는 비-시드형(un-seeded) 연마 분산액을 제공하는 단계를 포함한다. 알파 알루미나 전구체 조성물은 흔히 휘발성 성분인 액체를 포함한다. 일 실시 형태에서, 휘발성 성분은 물이다. 연마 분산액은 주형 공동을 충전하고 주형 표면을 복제할 수 있도록 연마 분산액의 점도를 충분히 낮게 하기 위해 충분한 양의 액체를 포함하지만, 나중에 액체를 주형 공동으로부터 제거하는 것이 엄청나게 비싸지게 할 정도로 많은 액체를 포함해서는 안 된다. 일 실시 형태에서, 연마 분산액은 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트(베마이트(boehmit))의 입자와 같이 알파 알루미나로 변환될 수 있는 2 중량％ 내지 90 중량％의 입자와, 적어도 10 중량％, 또는 50 내지 70 중량％, 또는 50 내지 60 중량％의 물과 같은 휘발성 성분을 포함한다. 역으로, 연마 분산액은 일부 실시 형태에서 30 내지 50 중량％, 또는 40 내지 50 중량％의 고체를 함유한다.

베마이트 이외의 알루미늄 옥사이드 하이드레이트가 또한 사용될 수 있다. 베마이트는 공지의 기술로 제조될 수 있거나 구매할 수 있다. 구매가능한 베마이트의 예에는 둘 모두 사솔 노스 아메리카 인크.(Sasol North America, Inc.)로부터 입수가능한 "디스페랄(DISPERAL)" 및 "디스팔(DISPAL)", 또는 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수가능한 "Hi-Q40"이라는 상표명을 갖는 제품이 포함된다. 이들 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트는 비교적 순수한데, 즉 이들은 모노하이드레이트 이외에 조금이라도 있다면 비교적 작은 하이드레이트상을 포함하며 큰 표면적을 갖는다. 개구(22)를 갖는 생성되는 성형된 연마 입자(20)의 물리적 특성은 일반적으로 연마 분산액에 사용되는 물질의 유형에 따라 좌우될 것이다.

일 실시 형태에서, 연마 분산액은 겔 상태에 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "겔"은 액체 내에 분산된 고체의 3차원 네트워크(network)이다. 연마 분산액은 개질 첨가제(modifying additive) 또는 개질 첨가제의 전구체를 함유할 수 있다. 개질 첨가제는 연마 입자의 일부 바람직한 특성을 향상시키거나 후속 소결 단계의 효과를 증대시키는 기능을 할 수 있다. 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체는 가용성 염의 형태, 전형적으로는 수용성 염의 형태일 수 있다. 이들은 전형적으로 금속을 함유하는 화합물로 이루어지며, 그리고 마그네슘, 아연, 철, 규소, 코발트, 니켈, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마륨, 이테르븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀, 티타늄 및 이들의 혼합물의 산화물의 전구체일 수 있다. 연마 분산액에 존재할 수 있는 이들 첨가제의 구체적인 농도는 당업자에 따라서 달라질 수 있다. 전형적으로, 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체를 도입하면 연마 분산액이 겔로 될 것이다. 또한 연마 분산액은 또한 일정 기간에 걸친 열의 적용에 의해 겔로 유도될 수 있다.

연마 분산액은 또한 수화되거나 하소된 산화 알루미늄의 알파 알루미나로의 변환을 향상시키는 핵형성제(nucleating agent)를 함유할 수 있다. 본 발명에 적합한 핵형성제는 변환의 핵이 될 알파 알루미나, 알파 산화철 또는 그 전구체, 산화 티타늄 및 티탄산염, 산화 크롬, 또는 그 외의 다른 재료로 된 미세 입자를 포함한다. 사용되는 경우 핵형성제의 양은 알파 알루미나의 변환을 일으킬 수 있을 정도로 충분하여야 한다. 그러한 연마 분산액의 핵을 형성하는 것은 슈와벨(Schwabel)의 미국 특허 제4,744,802호에 개시되어 있다.

보다 안정한 하이드로솔 또는 콜로이드 연마 분산액을 제조하기 위해 연마 분산액에 펩타이징제(peptizing agent)가 첨가될 수 있다. 적절한 펩타이징제는 일염기산(monoprotic acid)이거나 또는 초산, 염산, 개미산 및 질산과 같은 산 화합물이다. 멀티프로톤 산(multiprotic acid)이 또한 사용될 수 있지만, 이는 연마 분산액을 신속하게 겔로 만들어서 추가의 성분을 취급하거나 그것에 도입하는 것을 어렵게 할 수 있다. 베마이트의 일부 상업적 공급원은 안정한 연마 분산액을 형성하는 것을 도와줄 산 역가(acid titer)(예를 들어 흡수된 개미산 또는 질산)를 함유한다.

연마 분산액은 임의의 적절한 수단, 예를 들어 단순하게는 펩타이징제를 함유하는 물과 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트를 혼합함으로써, 또는 펩타이징제가 첨가되는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 슬러리를 형성함으로써 형성될 수 있다. 혼합 중에 기포를 형성하거나 공기를 혼입하는 경향을 줄이기 위해 소포제(defoamer) 또는 그 외의 적절한 화학약품이 첨가될 수 있다. 필요에 따라서 습윤제, 알코올 또는 커플링제와 같은 추가의 화학약품이 첨가될 수 있다. 알파 알루미나 연마 입자는 1997년 7월 8일에 등록된 에릭슨(Erickson) 등의 미국 특허 제5,645,619호에 개시된 바와 같은 실리카 및 산화철을 함유할 수 있다. 알파 알루미나 연마 입자는 1996년 9월 3일에 등록된 라미(Larmie)의 미국 특허 제5,551,963호에 개시된 바와 같은 지르코니아를 함유할 수 있다. 대안적으로, 알파 알루미나 연마 입자는 2001년 8월 21일에 등록된 카스트로(Castro)의 미국 특허 제6,277,161호에 개시된 바와 같은 미세구조체 또는 첨가제를 가질 수 있다.

제2 공정 단계는 적어도 하나의 주형 공동, 바람직하게는 복수의 공동을 갖는 주형을 제공하는 단계를 포함한다. 주형은 대체로 평탄한 바닥 표면 및 복수의 주형 공동을 가질 수 있다. 복수의 공동이 제조 공구에 형성될 수 있다. 제조 공구는 벨트, 시트, 연속 웨브, 윤전 그라비아 롤(rotogravure roll)과 같은 코팅 롤, 코팅 롤에 장착된 슬리브, 또는 다이일 수 있다. 제조 공구는 중합체성 재료를 포함한다. 적합한 중합체성 재료의 예에는 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리(에테르 설폰), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이들의 조합과 같은 열가소성 재료, 또는 열경화성 재료가 포함된다. 일 실시 형태에서, 전체 공구는 중합체성 또는 열가소성 재료로 제조된다. 다른 실시 형태에서, 복수의 공동의 표면(주형 바닥 표면 및 주형 측벽)과 같이 건조 중에 졸-겔과 접촉하는 공구의 표면은 중합체성 또는 열가소성 재료를 포함하며, 공구의 다른 부분은 다른 재료로 제조될 수 있다. 예로서 표면 장력 특성을 변화시키기 위해 적합한 중합체성 코팅이 금속 공구에 적용될 수 있다.

중합체성 또는 열가소성 공구는 금속 마스터 공구로부터 복제될 수 있다. 마스터 공구는 제조 공구에 요구되는 역패턴을 가질 것이다. 마스터 공구는 제조 공구와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 마스터 공구는 금속, 예를 들어 니켈로 제조되며, 다이아몬드 선삭된다. 중합체성 또는 열가소성 시트 재료를 마스터 공구와 함께 가열하여, 그 둘을 함께 압축함으로써 중합체성 또는 열가소성 재료가 마스터 공구 패턴에 의해 엠보싱될 수 있다. 중합체성 또는 열가소성 재료를 또한 마스터 공구 상으로 압출 또는 캐스팅한 다음 압축할 수 있다. 열가소성 재료를 고형화되도록 냉각하여 제조 공구를 생성한다. 열가소성 제조 공구가 이용되는 경우, 과도한 열이 발생하여 열가소성 제조 공구를 변형시켜서 수명을 제한하지 않도록 주의하여야 한다. 제조 공구 또는 마스터 공구의 설계 및 제조에 관한 보다 많은 정보는 미국 특허 제5,152,917호(피퍼(Pieper) 등), 제5,435,816호(스퍼전(Spurgeon) 등), 제5,672,097호(후프만(Hoopman) 등), 제5,946,991호(후프만 등), 제5,975,987호(후프만 등), 및 제6,129,540호(후프만 등)에서 찾아 볼 수 있다.

공동에의 접근은 주형의 상부 표면 또는 바닥 표면의 개구로부터 할 수 있다. 일부 경우에, 공동은 주형의 전체 두께에 대하여 연장될 수 있다. 대안적으로, 공동은 주형의 두께의 단지 일부에 대하여 연장될 수 있다. 일 실시 형태에서, 상부 표면은 공동이 실질적으로 균일한 깊이를 갖는 주형의 바닥 표면에 실질적으로 평행하다. 주형의 적어도 하나의 측면, 즉 공동이 형성된 측면은 휘발성 성분이 제거되는 단계 동안에 주위의 대기에 노출된 채로 유지될 수 있다.

공동은 소정의 삼차원 형상을 갖는다. 일 실시 형태에서, 공동의 형상은 상부에서 볼 때 공동의 바닥 표면이 상부 표면의 개구보다 약간 작도록 하는 경사진 측벽을 갖는 삼각형인 것으로 설명될 수 있다. 경사진 측벽은 성형된 전구체 연마 입자를 주형으로부터 더 쉽게 제거할 수 있게 하고 연마 입자의 연삭 성능을 향상시키는 것으로 여겨진다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 드래프트각 α는 약 95도 내지 약 130도, 또는 약 95도 내지 약 125도, 또는 약 95도 내지 약 120도, 또는 약 95도 내지 약 115도, 또는 약 95도 내지 약 110도, 또는 약 95도 내지 약 105도, 또는 약 95도 내지 약 100도일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 주형은 복수의 삼각형 공동을 포함하였다. 복수의 삼각형 공동의 각각은 정삼각형을 포함한다.

대안적으로, 원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 별 형상 또는 이들의 조합과 같은 다른 공동 형상이 사용될 수 있는데, 이들 형상은 모두 실질적으로 균일한 깊이 치수를 갖는다. 깊이 치수는 상부 표면으로부터 바닥 표면 상의 최저 지점까지의 수직 거리와 같다. 추가로, 공동은 예를 들어 피라미드형, 절두 피라미드형, 절두 구형, 절두 회전 타원형, 원추형 및 절두 원추형과 같은 다른 기하학적 형상의 역상을 가질 수 있다. 주어진 공동의 깊이는 균일할 수 있거나 그 길이 및/또는 폭을 따라서 변할 수 있다. 주어진 주형의 공동은 동일한 형상이거나 상이한 형상일 수 있다.

주형 공동은 몰딩 단계 동안에 전구체 성형된 연마 입자를 통과하는 개구를 생성하기 위해 공동의 바닥으로부터 충분한 거리만큼 융기하는 직립 주형 요소를 포함할 수 있다. 그렇기 때문에, 주형 공동은 "번트" 케이크를 만들기 위해 사용되는 "번트" 케이크 팬과 유사할 수 있다. 직립 주형 요소는 중합체성 제조 공구를 제조하기 위해 전술된 바와 같은 공정을 사용하여 공동 내로 복제될 수 있다.

제3 공정 단계는 임의의 종래 기술에 의해 주형의 공동을 연마 분산액으로 충전하는 단계를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 나이프 롤 코터(knife roll coater) 또는 진공 슬롯 다이 코터(vacuum slot die coater)가 사용될 수 있다. 필요한 경우 주형으로부터 입자를 제거하는 것을 돕기 위해 주형 이형제가 사용될 수 있다. 전형적인 주형 이형제는 땅콩유 또는 광유와 같은 오일, 어유(fish oil), 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아연스테아레이트 및 흑연을 포함한다. 일반적으로, 주형 이형제가 필요한 경우, 주형의 단위 면적당 약 0.0155 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in²) 내지 약 0.465 ㎎/㎠(3.0 ㎎/in²), 또는 약 0.0155 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in²) 내지 약 0.775 ㎎/㎠(5.0 ㎎/in²)의 주형 이형제가 존재하도록, 졸-겔과 접촉하는 제조 공구의 표면에, 물 또는 알코올과 같은 액체 중의 약 0.1 중량％ 내지 약 5 중량％의 주형 이형제, 예를 들어 땅콩유가 적용된다. 일 실시 형태에서, 주형의 상부 표면을 연마 분산액으로 코팅한다. 연마 분산액을 상부 표면 상에 펌핑할 수 있다. 다음으로, 스크래퍼(scraper) 또는 레벨러 바아(leveler bar)를 사용하여 연마 분산액을 주형의 공동 내로 완전히 밀어 넣을 수 있다. 공동으로 들어가지 않은 연마 분산액의 잔여분은 주형의 상부 표면으로부터 제거하여 재활용할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 연마 분산액의 적은 부분이 상부 표면에 남을 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상부 표면에는 실질적으로 분산액이 없다. 스크래퍼 또는 레벨러 바아에 의해 가해지는 압력은 전형적으로 689.5 ㎪(100 psi) 미만, 또는 344.7 ㎪(50 psi) 미만, 또는 68.9 ㎪(10 psi) 미만이다. 일부 실시 형태에서, 생성되는 성형된 연마 입자(20)의 두께의 균일성을 보장하기 위해서 연마 분산액의 노출된 표면은 실질적으로 상부 표면을 넘어서 연장하지 않는다.

제4 공정 단계는 휘발성 성분을 제거하여 분산액을 건조시키고 이에 의해 성형된 연마 입자(20) 내의 개구(22)를 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 휘발성 성분은 빠른 증발 속도에 의해 제거된다. 연마 분산액을 신속하게 응고시키기 위해 충분한 양의 휘발성 성분이 연마 분산액으로부터 신속하게 제거되어야 하며, 이에 의해 개구(22)의 형성으로 이어지는 큰 메니스커스를 형성한다.

일부 실시 형태에서, 증발에 의한 휘발성 성분의 제거는 휘발성 성분의 비등점을 초과한 온도에서 일어난다. 건조 온도에 대한 상한은 종종 주형이 제조되는 재료에 따라 좌우된다. 폴리프로필렌 공구의 경우, 이 온도는 플라스틱의 용융점 미만이어야 한다.

일 실시 형태에서, 약 40 내지 50％ 고형물로 된 수분산액(water dispersion) 및 폴리프로필렌 주형의 경우, 건조 온도는 약 섭씨 90도 내지 약 섭씨 165도, 또는 약 섭씨 105도 내지 약 섭씨 150도, 또는 약 섭씨 105도 내지 약 섭씨 120도일 수 있다. 더 높은 온도는 더 큰 개구의 형성으로 이어질 수 있지만, 이는 또한 주형으로서의 유효 수명을 제한하는 폴리프로필렌 공구의 열화로 이어질 수 있다.

일 실시 형태에서, 600 부(part)의 탈이온수, 24 부의 질산 400, 400 부의 베마이트 알루미나(디스페랄, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 사솔 노스 아메리카 인크.), 45.6 부 실리카졸(미국 조지아주 어거스타 소재의 에카 노벨, 인크.(Eka Nobel, Inc.)로부터의 Nycol 215), 및 76.2 부의 물 중의 (Fe₂O₃와 같은) 산화철의 9％ 용액을 조합하고, 이어서 2분 동안 고속 혼합기에서 혼합함으로써 졸을 제조하였다. 혼합기를 1시간 동안 세워 두어서 졸-겔을 형성하였다.

퍼티용 나이프(putty knife)로 졸-겔을 개구 내로 밀어 넣음으로써, 각 변이 대략 2.286 ㎜(90 밀(mil))이고 두께가 0.762 ㎜(30 밀)인 정삼각형 형상의 개구를 갖는 중합체성 공구 내로 졸-겔을 코팅하였다. 코팅된 공구를 텐터 프레임(tenter frame)에 부착시키고, 섭씨 145도로 설정된 오븐(랩드라이어 엘티이(LABDRYER LTE), 미국 노스캐롤라이나주 콩코드 소재의 워너 마티스 유에스에이, 인크.(Warner Mathis USA, Inc.)) 안에 배치하고 팬을 2000 RPM으로 설정하여 코팅의 표면 온도가 섭씨 21도에 도달할 때까지 코팅의 표면에 공기를 불어 보냈다. 생성되는 전구체 성형된 연마 입자는 균일하게 도 7에 도시된 바와 같이 내부에 중심 개구(22)를 가졌다. 이들 전구체 성형된 연마 입자는 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)를 생성하기 위해 소성될 수 있다.

제5 공정 단계는 주형 공동으로부터 개구를 갖는 전구체 성형된 연마 입자를 제거하는 단계를 포함한다. 개구를 갖는 전구체 성형된 연마 입자는 주형 상에서 다음의 공정들을 단독으로 사용하거나 조합하여 사용함으로써 공동으로부터 제거될 수 있다: 입자를 주형 공동으로부터 제거하기 위한 중력, 진동, 초음파 진동, 진공, 또는 압축 공기.

개구를 갖는 전구체 성형된 연마 입자는 주형의 외부에서 추가로 건조될 수 있다. 연마 분산액이 주형 내에서 원하는 수준까지 건조된 경우, 추가의 건조 단계는 필요하지 않다. 그러나, 일부 경우에는, 연마 분산액이 주형 내에 체류하는 시간을 최소화하기 위해 이 추가의 건조 단계를 이용하는 것이 경제적일 수 있다. 전형적으로, 성형된 전구체 연마 입자는 섭씨 50도 내지 섭씨 160도, 또는 섭씨 120도 내지 섭씨 150도의 온도에서, 10분 내지 480분, 또는 120분 내지 400분 동안 건조될 것이다.

제6 공정 단계는 개구를 갖는 성형된 전구체 연마 입자를 하소시키는 단계를 포함한다. 하소 동안에, 본질적으로 모든 휘발성 재료가 제거되며, 연마 분산액 중에 존재하는 다양한 성분이 산화금속으로 변환된다. 전구체 성형된 연마 입자는 일반적으로 섭씨 400도 내지 섭씨 800도의 온도까지 가열되며, 자유수(free water)와 90 중량％를 초과하는 임의의 결합된 휘발성 재료가 제거될 때까지 이 온도 범위 내에 유지된다. 선택적 단계에서, 함침 공정에 의해 개질 첨가제를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 수용성 염이 함침에 의해 하소된 성형된 전구체 연마 입자의 세공 내로 도입될 수 있다. 그 다음, 전구체 성형된 연마 입자가 다시 예비소성된다. 이 선택 사항은 유럽 특허 제293,163호에 추가로 설명되어 있다.

제7 공정 단계는 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 소결하여 알파 알루미나 입자를 형성하는 단계를 포함한다. 소결 전에, 하소된 전구체 성형된 연마 입자는 완전히 치밀화되지 않으며 따라서 연마 입자로서 사용하는 데 필요한 경도가 부족하다. 소결은 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 섭씨 1,000도 내지 섭씨 1,650도의 온도까지 가열하고, 실질적으로 모든 알파 알루미나 모노하이드레이트(또는 등가물)가 알파 알루미나로 변환되고 다공도가 15 체적％ 미만으로 감소될 때까지 이 온도 범위 내에 유지함으로써 이루어진다. 이 수준의 변환을 달성하기 위해 하소된 전구체 성형된 연마 입자가 소결 온도에 노출되어야 하는 시간 길이는 다양한 인자에 따라서 달라지지만 보통은 5초 내지 48시간이 전형적이다. 다른 실시 형태에서, 소결 단계의 지속 시간은 1분 내지 90분의 범위이다. 소결 후에, 성형된 연마 입자는 비커스(Vickers) 경도가 10 ㎬, 16 ㎬, 18 ㎬, 20 ㎬, 또는 그 초과일 수 있다.

전술한 공정을 변경하기 위해 재료를 하소 온도로부터 소결 온도까지 급속하게 가열하고, 연마 분산액을 원심분리하여 슬러지, 폐기물 등을 제거하는 것과 같은 다른 단계를 사용할 수 있다. 또한 이 공정은 필요에 따라 공정들 중 둘 이상을 조합함으로써 변경될 수 있다. 본 발명의 공정을 변경하기 위해 사용할 수 있는 종래의 공정 단계는 레이티져(Leitheiser)의 미국 특허 제4,314,827호에 보다 충분하게 설명되어 있다. 개구를 갖는 성형된 연마 입자의 제조에 관한 더 많은 정보가 발명의 명칭이 "연마 파편, 개구를 갖는 성형된 연마 입자, 또는 접시형 연마 입자를 제조하는 방법(Method of Making Abrasive Shards, Shaped Abrasive Particles With An Opening, Or Dish-Shaped Abrasive Particles)"이고, 대리인 문서 번호가 63512US002이며, 2008년 12월 17일자로 출원된 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,001호에 기재되어 있다. 추가로, 개구를 갖는 성형된 연마 입자는, 발명의 명칭이 "홈을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With Grooves)"이고 대리인 문서 번호가 64792US002이며 2008년 12월 17일자로 출원된 공계류 중의 미국 특허 출원 제61/138,268호에 기재되어 있는 바와 같이 면들 중 하나 상에 홈을 가질 수 있다. 홈은 주형으로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하는 것을 더 용이하게 만드는 것으로 확인된 주형 공동의 바닥 표면의 복수의 릿지에 의해 형성된다.

[실시예]

본 발명의 목적 및 이점들이 하기의 비제한적 실시예에 의해 추가로 설명된다. 이들 실시예에 열거된 구체적인 재료 및 그 양뿐만 아니라 그 외의 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 달리 기재되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 중량을 기준으로 한다.

REO-도핑된(doped) 성형된 연마 입자(20)의 제조

하기의 방법을 사용하여 베마이트 졸-겔의 샘플을 제조하였다: 상표명 "디스페랄"을 갖는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 분말(4824 부)을 물(7087 부) 및 70％의 수성 질산(212 부)을 함유하는 용액과 13분 동안 고 전단 혼합(high shear mixing)하여 분산시켰다. 생성된 졸-겔을 코팅 전에 1시간 동안 에이징하였다. 이 졸-겔을 깊이가 0.711 ㎜(28 밀)이고 각 변이 2.794 ㎜(110 밀)인 삼각형의 성형된 주형 공동을 갖는 제조 공구 내로 밀어 넣었다. 주형의 측벽과 바닥 사이의 드래프트각 α는 98도였다. 제조 공구를 주형 공동의 50％가 삼각형의 일 변과 90도의 각도로 교차하는, 공동의 바닥 표면으로부터 융기하는 8개의 평행한 릿지를 갖도록 제조하였고, 나머지 공동은 매끄러운 바닥 주형 표면을 가졌다. 위에서 언급한 대리인 문서 번호가 64792US002인 특허 출원에 기재된 바와 같이 평행한 릿지는 0.277 ㎜마다 이격되었으며, 릿지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜이고 팁에서의 각 릿지의 측면들 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. 졸-겔을 진공 슬롯 다이 코팅 스테이션을 사용하여 공동 내로 밀어넣어 제조 공구의 모든 개구를 완전히 충전하였다. 주형 이형제인, 물 중 2％ 땅콩유를 제조 공구 상에 사용하여 약 0.155 ㎎/㎠(1㎎/in²)의 땅콩유를 제조 공구에 적용하였다. 4.11 m(13.5 피트) 구역 1 섹션에서는 60％ 공기 속도에서 섭씨 135도로 설정되고 4.11 m(13.5 피트) 구역 2 섹션에서는 40％ 공기 속도에서 섭씨 121도로 설정된 8.23 m(27 피트) 대류 공기 오븐에 3.05 m/분(10 피트/분)으로 졸-겔 코팅된 제조 공구를 통과시켰다. 제조 공구를 초음파 혼(ultrasonic horn) 위로 통과시켜 제조 공구로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하였다. 전구체 성형된 연마 입자를 대략 섭씨 650도에서 하소시킨 후에 다음의 농도(산화물로서 보고됨)의 혼합 질산염 용액으로 포화시켰다: MgO, Y₂O₃, Nd₂O₃ 및 La₂O₃ 각각 1.8％. 여분의 질산염 용액을 제거하고 개구를 갖는 포화된 전구체 성형된 연마 입자를 건조되게 한 후, 입자를 다시 섭씨 650도에서 하소시키고 대략 섭씨 1400도에서 소결하였다. 하소와 소결 둘 모두는 회전식 튜브 킬른(rotary tube kiln)을 사용하여 실시하였다.

개구를 갖는 REO-도핑된 성형된 연마 입자(20)의 제조

제조 공구를 제2 사용에서는 땅콩유 주형 이형제로 재처리하지 않은 것을 제외하고 전술한 절차를 따랐다. 주형 공동 내에 존재하는 땅콩유의 감소를 각각의 개별 삼각형 입자 내에 개구(22)를 형성하기 위한 조건이라고 여겼다.

생성된 삼각형 형상의 연마제는 각각 중심 부근에 개구(22)를 가졌다. 도 3은 두 제조 절차로부터의 성형된 연마 입자(20)를 보여주고 있다.

전술된 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)의 2개의 샘플을 -18+20 메시(미국 표준 시험용 체(USA Standard Testing Sieve)) 크기로 분류하여 임의의 파편 또는 부서진 형상을 제거하였고, 이어서 탄산 칼슘 충전된 메이크 코팅, 빙정석 충전된 사이즈 코팅 및 플루오로붕산칼륨(KBF₄) 충전된 슈퍼사이즈 코팅을 사용하여 섬유 디스크 배킹 상에 코팅하였다. 다음과 같은 총 4개의 로트를 제조하였다:

1. 개구를 갖는 삼각형, 디스크 당 18 그램의 광물

2. 개구를 갖는 삼각형, 디스크 당 9 그램의 광물

3. 개구를 갖지 않는 삼각형, 디스크 당 18 그램의 광물

4. 321 쿠비트론 입자(CUBITRON grain)(랜덤 파쇄) -18+20 메시, 디스크 당 18 그램의 광물

연마제와 공작물 사이의 53.4 N(12 lb 힘) 또는 80.1 N(18 lb 힘)의 하중을 사용하는 304 스테인리스강 공작물 상에서의 슬라이드 작용 연삭 시험(slide action grinding test)을 사용하여 디스크의 연삭 성능을 평가하였다. 슬라이드 작용 시험은 코팅된 연마 디스크의 절삭률을 측정하도록 설계되었다. 각각의 연마 디스크를 사용하여 1.25 cm × 18 cm 크기의 304 스테인리스강 공작물의 면을 연삭하였다. 사용한 연삭기는 정하중(constant load) 디스크 연삭기였다. 공작물과 연마 디스크 사이의 정하중은 하중 스프링에 의해 제공하였다. 연삭기의 백업 패드는 에지로부터 안쪽으로 중심을 향하여 3.5 cm 연장하며 대략 7도 경사진 알루미늄 백업 패드였다. 디스크를 유지 너트(retaining nut)로 알루미늄 패드에 고정하였고 5,000 rpm으로 구동시켰다. 1분 간격으로 제거된 금속의 그램 단위의 양을 기록하였다. 디스크 상의 공작물 하중은 약 5.4 ㎏(12 lb)(도 8) 또는 8.2 ㎏(18 lb)(도 9)이었다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 개구(22)를 갖는 삼각형의 성형된 연마 입자(20)가 중실형의 삼각형의 성형된 연마 입자 또는 랜덤 파쇄 입자보다 상당히 우수하게 작동하였다. 특히, 9 그램의 개구(22)를 갖는 성형된 연마 입자(20)만을 갖는 디스크가, 형상은 동일하지만 개구를 갖지 않는 18g의 연마제를 갖는 디스크보다 우수하게 작동하였다.

본 발명에 대한 다른 변경 및 변형이 첨부된 특허청구범위에 보다 구체적으로 기재되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 실시될 수 있다. 다양한 실시 형태의 태양이 전체적으로 또는 부분적으로 상호 교환되거나, 다양한 실시 형태의 다른 태양과 조합될 수 있다. 특허증을 위한 상기 출원에서의 모든 인용 문헌, 특허 또는 특허 출원들은 전체적으로 일관된 방식으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 포함되는 문헌의 부분과 본 출원의 부분 사이에 불일치나 모순이 있는 경우, 전술한 기재의 정보가 지배하여야 한다. 당업자가 청구된 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위한 것임을 고려하면, 전술한 기재는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 범주는 특허청구범위 및 이에 대한 모든 동등물에 의해 한정된다.

Claims

각각 개구를 갖는 성형된(shaped) 연마 입자를 포함하며, 성형된 연마 입자의 각각은 알파 알루미나(alpha alumina)를 포함하고 두께 t만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 갖는 연마 입자.
제1항에 있어서, 제1 면 및 제2 면의 주변부(perimeter)는 삼각형 형상을 포함하는 연마 입자.
제2항에 있어서, 개구는 실질적으로 삼각형의 형상을 포함하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 개구는 제1 면 및 제2 면을 통과하는 연마 입자.
제4항에 있어서, 제1 면 또는 제2 면 중 더 큰 것의 면적으로 나눈 개구 면적의 개구비(opening ratio)를 포함하며, 개구비는 0.05 내지 약 0.95인 연마 입자.
제5항에 있어서, 개구비는 0.1 내지 약 0.5인 연마 입자.
제6항에 있어서, 제1 면 및 제2 면의 주변부는 삼각형 형상을 포함하는 연마 입자.
제7항에 있어서, 개구는 실질적으로 삼각형의 형상을 포함하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 성형된 연마 입자의 벌크 밀도(bulk density)는 1.35 g/㎤ 미만인 연마 입자.
제9항에 있어서, 성형된 연마 입자의 벌크 밀도는 1.00 g/㎤ 미만인 연마 입자.
제1항에 있어서, 제1 면과 제2 면을 연결하는 측벽, 및 제2 면과 측벽 사이의 드래프트각(draft angle) α를 포함하며, 드래프트각 α는 90도 초과인 연마 입자.
제11항에 있어서, 드래프트각 α는 약 95도 내지 약 130도인 연마 입자.
제1항에 있어서, 개구는 내부 표면을 포함하며, 내부 표면은 만곡되어 제1 면에서의 개구의 크기가 제2 면에서의 개구의 크기보다 크게 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 개구는 내부 표면을 포함하며, 내부 표면은 테이퍼진 연마 입자.
제1항에 있어서, 성형된 연마 입자는, 각각의 단부에서 결합되어 폐쇄된 다각형을 형성하는 복수의 바아(bar)로 된 일체형 연결부를 포함하는 연마 입자.
제15항에 있어서, 제1 면 및 제2 면의 주변부는 삼각형 형상을 포함하는 연마 입자.
제16항에 있어서, 개구는 실질적으로 삼각형의 형상을 포함하는 연마 입자.
제15항에 있어서, 성형된 연마 입자의 벌크 밀도는 1.35 g/㎤ 미만인 연마 입자.
제18항에 있어서, 성형된 연마 입자의 벌크 밀도는 1.00 g/㎤ 미만인 연마 입자.
제15항에 있어서, 제1 면과 제2 면을 연결하는 측벽, 및 제2 면과 측벽 사이의 드래프트각 α를 포함하며, 드래프트각 α는 90도 초과인 연마 입자.
제20항에 있어서, 드래프트각 α는 약 95도 내지 약 130도인 연마 입자.
제1항에 있어서, 접합된 연마 용품, 코팅된 연마 용품, 부직포 연마 용품 및 연마 브러시로 이루어진 군으로부터 선택되는 연마 용품을 형성하는 결합제(binder)를 포함하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 배킹(backing)의 주 표면 상에 메이크 코트(make coat)를 포함하며, 성형된 연마 입자는 메이크 코트에 접착되어 연마층을 형성하고, 연마층은 사이즈 코트(size coat)로 코팅되며, 연마층은 적어도 5 중량％의 성형된 연마 입자를 포함하는 연마 입자.
제23항에 있어서, 성형된 연마 입자 중 적어도 일부의 개구 내에 연삭 보조제를 포함하는 연마 입자.
제23항에 있어서, 성형된 연마 입자 중 적어도 일부의 개구 내에 메이크 코트 또는 사이즈 코트를 포함하는 연마 입자.
중합체성 표면을 포함하는 복수의 공동(cavity)을 갖는 주형(mold)을 제공하는 단계;
휘발성 성분을 포함하는 액체 중에서 알파 알루미나로 변환될 수 있는 입자를 포함하는 졸-겔(sol-gel)로 복수의 공동을 충전하는 단계; 및
졸-겔이 복수의 공동 내에 체류하는 동안 졸-겔로부터 휘발성 성분의 적어도 일부를 제거하고 이에 의해 각각 개구를 갖는 복수의 전구체 성형된 연마 입자를 형성하는 단계를 포함하는, 제1항의 연마 입자를 제조하는 방법.